CC BY
161
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
МЕХАНИЗМ ДЕНИТРИФИКАЦИИ
1 2
Авдеенков П.П. , Чистяков Н.Е. Email: Avdeenkov1157@scientifictext.ru
1Авдеенков Павел Павлович - магистрант;
2Чистяков Николай Егорович - доцент, кафедра водоснабжения и водоотведения, Самарский государственный технический университет Академия строительства и архитектуры, г. Самара
Аннотация: биологическая очистка является основным барьером для биологических загрязнений. Проанализировать её работу можно только по ферментативным системам. Раньше очистные сооружения строились без учета удаления биогенных элементов. В настоящее время, если и предусмотрена очистка от биогенных элементов, то нормы для сброса в хозяйственно-питьевые водоемы не выполняются. Удаление биогенных элементов - это чисто биохимический процесс. Для его понимания, возможности регулирования и контролирования необходимы знания в биохимии микроорганизмов. Ключевые слова: денитрификация, ферменты, прокариоты.
DENITRIFICATION MECHANISM Avdeenkov P.P.1, Chistyakov N.E.2
1Avdeenkov Pavel Pavlovich - Graduate Student;
2Chistyakov Nikolay Egorovich - Assistant Professor, DEPARTMENT OF WATER SUPPLY AND SEWAGE, SAMARA STATE TECHNICAL UNIVERSITY ACADEMY OF CIVIL ENGINEERING AND ARCHITECTURE, SAMARA
Abstract: biological treatment is a major barrier to biological contamination. It is possible to analyze its work only on enzymatic systems. Previously, wastewater treatment plants were built without regard to the removal of nutrients. At present, if it is provided for purification from biogenic elements, the norms for discharge into drinking-water reservoirs are not fulfilled. Removal of biogenic elements is a purely biochemical process. To understand it, the ability to regulate and control the necessary knowledge in the biochemistry of microorganisms. Keywords: denitrification, enzymes, prokaryotes.
УДК 628.31+628.34+628.35
Поглощение и усвоение азота прокариотами
Бактерии этих родов относятся по типу питания к хемолитоавтотрофам, обладающим уникальным образом жизни, свойственным только прокариотам. Такой тип питания заключается в использовании восстановленных неорганических соединений и путём окисления получают энергию и электроны, которые используются для синтеза из диоксида углерода органических веществ, необходимых для строительства клетки.
В природных условиях нитрифицирующие бактерии ассимилируют аммиак, который не использовали другие организмы. Поэтому на интенсивность нитрификации влияет соотношение содержания углерода и азота в среде. При избытке органических веществ аммиак расходуется конкурентами нитрификаторов в конструктивном обмене. Гетеротрофные микроорганизмы усиленно поглощают кислород, необходимый нитрифицирующим бактериям. В результате минерализации органических веществ накапливается аммиак, создаются благоприятные условия для развития Nitrosomonas, Nitrobacter начинает развиваться только после окисления избытка аммиака [4, с. 435].
19
Внешняя мембрана бактериальной стенки состоит из полисахаридов. Полисахаридные цепи соединены пептидными мостиками. Основной полисахарид - пептидогликан (муреин), образует сетчатый мешок. Муреин может растягиваться и сжиматься, что делает стенку эластичной, играющей роль в поддержании осматического давления. Проникать через пептидогликановый мешок могут только молекулы очень незначительных размеров, например вода. Для переноса внутрь клетки молекул больших размеров существуют специальные гидролазы муреина, ферменты специального назначения, которые локально расширяют отверстия для прохода больших молекул. Для транспорта аммиака внутрь клетки, через её внешнюю мембрану существует фермент - транслоказа Си2+ (транслоказа содержащая медь), она называется: Ь-Аспартат:2-оксоглутарат-аминотрансфераза. Код химической классификации: ( КФ 2.6.1.1.). Одним концом транслоказа прикрепляется к внутренней поверхности муреиновой стенки, а второй конец (комплементарный), через отверстие, выходит во внешнее пространство, где улавливает молекулы аммиака и втягивает их через муреиновую перегородку внутрь стенки клетки.
Эта фаза может быть обозначена в виде следующего процесса:
ЫН4+ + 1,502 ^ Ы02 + Н20 + 2Н+; ДG = -270 кДж/моль (1) ЫН4+ переносится через ЦПМ (цито-плазматическая мембрана) с помощью фермента -медьсодержащей транслоказы и в межмембранном пространстве передается соответствующим транспортным белкам, переносящим аммиак на внутреннюю поверхность ЦПМ, где происходит его окисление. При окислении аммиака до нитрита атом азота теряет 6 электронов. Часть из этих электронов выводится из клетки и поступает на формирование электронно-транспортной системы. На первом этапе монооксигеназа катализирует присоединение к молекуле аммиака одного атома О2 в результате чего аммиак окисляется до гидроксиламина. Второй атом О2 взаимодействует с НАДН2 , что приводит к образованию Н2О по следующей схеме:
МН3 + 02 + НАД-Н2 ^ ЫН20Н + Н20 + НАД (2) Гидроксиламин далее ферментативно окисляется до нитрита по схеме:
ЫН20Н + 02 ^ Ы02 + Н20 + Н+ (3) Электроны от ЫН20Н поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома С и далее на терминальную оксидазу. Их транспорт сопровождается переносом двух протонов через мембрану, приводящим к созданию протонного градиента, энергия которого тратится на синтез АТФ [8, с.53].
Внутренняя поверхность клеточной стенки образована цитоплазматической мембраной (ЦПМ), имеющей сложное строение. Основой цитоплазматической двухслойной (бислойной) мембраны являются простые фосфолипиды, выстланные в два параллельных слоя. В состав фосфолипидов входят остатки двух жирных кислот с 16-18 атомами углерода в цепи и в основном насыщенными связями. У мембранных липидов головные группы гидрофильные и полярные, а активные «хвосты» жирных кислот гидрофобны. В мембранном двойном слое гидрофобные части обращены внутрь, а гидрофильные наружу, в окружающую среду и цитоплазу клетки. Пространство между липидными слоями заполнено многочисленными молекулами белков различной структуры и назначения. Цитоплазматическая мембрана соединяется с внешней муреиновой оболочкой посредством образования эфирных связей остатков жирных кислот с гидроксильными группами глицерола, входяшего в состав муреиновой оболочки. Пространство между цитоплазматической мембраной и внешней стенкой бактериальной клетки заполнено различными белковыми молекулами. В этом пространстве находится очень большое количество белковых молекул (пармеаз), выполняющих роль транспортных средств. Имеются белковые молекулы и для переноса аммония (ЫН4+). Нитратное дыхание
Нитрогеназа играет главную роль в цепи ферментативных реакций, которые являются биологическим процессом восстановления азота. Активный центр этого фермента состоит из комплекса двух белков, содержащих железо, серу и молибден в соотношении
Ев : : Мо = 6 : 8:1. Выделена также ванадийсодержашая нитрогеназа, уровень активности которой на 30% ниже, чем у Мо-нитрогеназы.
Растворенный в воде азот поступает в азотфиксирующий центр, где в его активации участвуют два атома молибдена. Молибден, после взаимодействия с азотом, восстанавливается за счет электронов, поступающих в активный центр через Мо-Ев-белок и Ев-белок. Этот перенос идет с затратой энергии, т.е. сопряжен с реакцией разложения АТФ. Железосодержащий водорастворимый белок - фермент ферредоксин участвует в передаче электронов нитрогеназе, фермент гидрогеназа в активации водорода воды и переносе протонов.
Образование нитрогеназы у бактерий обусловлено наличием особых т^генов, содержащихся или в ядерной ДНК или в плазмиде, ответственной за синтез этих специфических ферментных белков.
Большое значение для активной азотфиксации имеет концентрация кислорода, так как фермент нитрогеназа подавляется молекулярным кислородом [5, с. 178-179].
Конечными акцепторами электронов при нитратном дыхании являются нитраты (N03) или нитриты (N02). Результатом нитратного дыхания является восстановление или до газообразных продуктов (N0, N0 или ^).Следует отметить, что к денитрификации (как, впрочем, и некоторым другим процессам азотного цикла) способны только бактерии, у эукариот эти реакции не происходят [2, с. 138].
Денитрифицирующие бактерии - гетеротрофные организмы, использующие в качестве окислительных эквивалентов - растворенный кислород, нитриты или нитраты, а в качестве источника углерода органические соединения. В аэробных условиях денитрификаторы в первую очередь используют растворенный кислород для окисления соединений как более энергетически выгодный путь, и только при его недостатке более интенсивно восстанавливают нитраты, поэтому в присутствии кислорода денитрификация протекает медленно. В отсутствие кислорода денитрификация в сооружениях очистки сточных вод протекает быстро, поскольку это способ анаэробного дыхания бактерий-денитрификаторов, хотя он часто лимитируется недостатком доступного углеродного субстрата, необходимого для восстановления нитрата. Эффективность денитрификации зависит от источника и концентрации, соотношения количества органического углерода и нитратов, содержания нитратов, нитритов, рН, концентрации кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, наличия токсичных веществ, температуры воды содержания солей. Эти факторы неодинаково влияют на скорость отдельных восстановительных процессов, в результате чего конечные и промежуточные продукты денитрификации имеют различный состав. Источником органического углерода при денитрификации могут быть любые легкоокисляемые органические соединения (спирты, углеводы, органические кислоты, продукты распада белков, активный ил, отходы производства гидролизного спирта и т.п.). Денитрифицирующие бактерии не образуют целлюлолитических и протеолитических ферментов, поэтому они не расщепляют целлюлозу, белки и другие природные полимеры [2, с. 211-212].
У истинных денитрификаторов нитрат последовательно восстанавливается через нитрит до газообразной закиси азота и молекулярного азота N2 по схеме:
Первый этап: восстановление нитрата до нитрита, катализируют молибденсодержащие ферменты нитратратредуктазы:
N03 + 2е- + 2Н+ ^ N0-2 + Н20
Второй этап: восстановление нитрита до оксида азота, катализируют нитритредуктазы:
N02 + е- + Н+ ^ N0 + ОН-
Молекулярный кислород ингибирует активность нитрата - и нитритредуктазы, а также репрессирует синтез. Соответственно данные реакции (восстановление нитрата до нитрита и восстановление нитрита оксида азота) могут протекать только в том случае, когда кислород полностью отсутствует или когда его концентрация незначительна [2, с.138-140].
Третий этап: катализируют редуктазы оксида азота, восстановление нитрита до оксида азота.
2N0 + 2е- + 2Н+ ^ N20 + Н20
Четвертый этап: катализируют редуктазы закиси азота, восстановление закиси азота в молекулярный азот.:
N2O + 2е- + 2H+ ^ N2 + H2O
Общую реакцию нитратного дыхания, где конечным акцептором электронов - нитраты, а окисляемым субстратом является глюкоза, можно записать следующим образом:
C6H12O6 + 4 NO' 3 ^ 6CO2 + 6H2O + 2N2 + х (кДж)
К нитратному дыханию способное большое число родов бактерий, При этом первый этап — переход нитратов в нитриты — способны осуществлять разнообразные микроорганизмы, в том числе и эукариоты — водоросли, дрожжи и грибы. Полную денитрификацию до молекулярного азота проводят только прокариоты. Большинство из них— факультативно анаэробные хемоорганотрофы многих родов, использующие нитраты как окислители органических субстратов. При этом последние окисляются до С02 и Н20, как и в акте кислородного дыхания, а азот теряется в газообразных формах [5, с. 194].
Список литературы /References
1. Прикладная экобиотехнология. [Электронный ресурс]: учебное пособие: в 2 т. Т. 1 / А.Е. Кузнецов [и др.]. 2-е изд. (эл.). М. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 629 с.: ил. [4] с. цв. вкл. (Учебник для высшей школы).
2. Лысак В.В. Микробиология: учеб. пособие / В.В. Лысак. Минск: БГУ, 2007. 426 с.
3. Физиология растений. Н.Д. Алёхина, Ю.В. Балнокин, В.Ф.Гавриленко и др.; под редакцией И.П. Ермакова. 2-изд. М.:Издательский центр «Академия», 2007. 640с.
4. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. М.: Мир, 2006. 504 с.
5. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. 3-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во МГУ, 2005. 445 с., илл. (Классический университетский учебник).
6. Чурбанова И.Н. Микробиология. М.: Высшая школа, 1987. 241 с.
7. Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии. [Электронный ресурс]: сборник статей. Биохимический механизм нитрификации Чистяков Н.Е. 238-244. Самара, 2018.
8. Филина Н.Ю., Верховцева Н.В. Экологическая физиология микроорганизмов. Часть 1. Физиология микроорганизмов: Учеб. пособие / Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2001. 92 с.
